【正文】 當(dāng)C端口為高電平時(shí)，左側(cè)輸入端輸入什么二進(jìn)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的右側(cè)輸出端輸出同樣的二進(jìn)制信號(hào)；本設(shè)計(jì)選用了八位共陽(yáng)極數(shù)碼管，如下圖，其中a、b、c、d、e、f、g由不同的信號(hào)控制顯示數(shù)字，dp為小數(shù)點(diǎn)顯示。 LED，四位顯示，分別為十位、個(gè)位和兩個(gè)小數(shù)位十分位、百分位，所以選用了四個(gè)LED數(shù)碼管。TDCGP2XIN1XOUT2Vio3GND4Fire15Fire26Fire_IN7INTN8Clk32In16SSN9SCK10SI11SO12RSTN13Vcc14Clk32Out15Senset17LoadT18PT419PT320GND21Vio22PT223PT124En_Start32Start31Stop130Vcc29GND28Stop227En_Stop126En_Stop225U1TDCGP2R1220X1CRYSTALR2560kC115pC215pR3100kR410kX2CRYSTALC315pC415pXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.2/ECI3P1.3/CEX04P1.4/CEX15P1.5/CEX26P1.6/CEX37P1.7/CEX48P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1P87C51FAR110kR21kC110uFC230pFX1CRYSTALC330pF+3VSW1SWSPST 圖45 TDCGP2與單片機(jī)的連接圖XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST939383736353433321234567810111213141716152821222324252627U1P87C51FAR110kR21kC110uFC230pFSW1SWSPSTX1CRYSTALC330pF圖46 單片機(jī)最小系統(tǒng) 計(jì)算部分子程序設(shè)計(jì)由于所測(cè)得的時(shí)間間隔分為三個(gè)部分TA、TB和T，并且這三個(gè)部分的時(shí)間單位并不統(tǒng)一，分別是、所以在這個(gè)部分要先對(duì)他們的單位進(jìn)行整合，得出準(zhǔn)確的測(cè)量距離，要求單位為米(m)。在復(fù)位電路中，復(fù)位電路如圖，單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)20F的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān)S接電源。主要由AT87C51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。 距離計(jì)算部分前一部分已經(jīng)給出了三個(gè)時(shí)間變量，即為所測(cè)的時(shí)間間隔T（ns）TA(ns)TB(ns)，該計(jì)算部分主要由單片機(jī)完成，其功能主要是針對(duì)TDCGP2送來(lái)的三個(gè)時(shí)間值進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的所測(cè)得的距離值。3) 系統(tǒng)硬件程序設(shè)計(jì)TDCGP2測(cè)量控制流程如圖44所示，TDC測(cè)量單元中，所有工作模式的選擇、數(shù)據(jù)傳輸、以及最終數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算都是由單片機(jī)來(lái)完成的。當(dāng)使用陶瓷晶振的時(shí)候，由于其頻率的誤差非常大，所以需要在測(cè)量的時(shí)候用的晶振對(duì)高速晶振進(jìn)行校準(zhǔn)。2) TDCGP2硬件電路設(shè)計(jì)圖43所示的是TDCGP2外圍硬件電路原理圖，在TDCGP2的應(yīng)用中需要兩個(gè)石英晶振，和，分別如圖43中所示的方式接入電路中。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出Start信號(hào)和Stop信號(hào)之間時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá)20位。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號(hào)通過(guò)門電路的個(gè)數(shù)。TDCGP2XIN1XOUT2Vio3GND4Fire15Fire26Fire_IN7INTN8Clk32In16SSN9SCK10SI11SO12RSTN13Vcc14Clk32Out15Senset17LoadT18PT419PT320GND21Vio22PT223PT124En_Start32Start31Stop130Vcc29GND28Stop227En_Stop126En_Stop225U1TDCGP2R1220X1CRYSTALR2560kC115pC215pR3100kR410kX2CRYSTALC315pC415p+3V圖43 TDCGP2外圍電路圖TDC是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的[22]。通過(guò)四線SPI與控制器相連，具有最高1MHz的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出。TDCGP2主要由TDC測(cè)量模塊，16位算術(shù)邏輯模塊(AUL)，溫度測(cè)量模塊以及4線SPI串行數(shù)據(jù)接口組成。目前CMOS門電路的延時(shí)已達(dá)到小于50ps的水平，該分辨率足以滿足許多高分辨率時(shí)間測(cè)量的需要。因此通常的TDC測(cè)量中，為了保證測(cè)量精度，必須在測(cè)量中隨時(shí)用高精度時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行時(shí)刻校正，用于解決由于溫度，電源電壓的波動(dòng)所引起的測(cè)量誤差，保證其測(cè)量的精度。開(kāi)始脈沖信號(hào)在進(jìn)入延時(shí)系統(tǒng)之后，沿延遲線傳播，當(dāng)截止脈沖來(lái)臨時(shí)，開(kāi)始脈沖信號(hào)已經(jīng)過(guò)若干延時(shí)單元，并且到達(dá)相應(yīng)的抽頭處的起始脈沖信號(hào)被記錄入寄存器，讀取寄存器中的數(shù)值即可得出開(kāi)始信號(hào)從進(jìn)入TDC系統(tǒng)開(kāi)始到截止脈沖到達(dá)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過(guò)的延時(shí)單元個(gè)數(shù)（即門電路的個(gè)數(shù)）N，假設(shè)每個(gè)門電路的延時(shí)為，則可求出開(kāi)始脈沖和截止脈沖之間的時(shí)間間隔。采用CMOS門延遲的數(shù)字化延時(shí)線技術(shù)TDC原理。本次設(shè)計(jì)選定時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換法。在時(shí)刻鑒別電路中，由于比較器的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)引起漂移誤差，因此在為了保證時(shí)刻鑒別的精度，在器件選擇上，必須選取盡可能快的比較器，以此來(lái)減小有比較器的響應(yīng)時(shí)間所帶來(lái)的鑒別誤差。圖42所示的恒定比值時(shí)刻鑒別電路中共使用了兩個(gè)高速比較器，其中A1作為恒定比值時(shí)刻鑒別比較器，A2作為預(yù)鑒別比較器。第三路信號(hào)直接輸入到比較器A2的正相輸入端。當(dāng)A1兩輸入端信號(hào)的相對(duì)大小發(fā)生改變時(shí)，比較器A1輸出狀態(tài)將發(fā)生，而且狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻點(diǎn)不會(huì)受到原始輸入信號(hào)幅值的改變的影響，始終保持于原始信號(hào)達(dá)到其某一固定高度比例時(shí)發(fā)生。其主要有高速比較器、D觸發(fā)器和輸入電路組成，如圖42所示。輸入到時(shí)刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲，它們對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的作用是不同的[20]。而且，延時(shí)波動(dòng)可通過(guò)增加比較器帶寬減小。當(dāng)輸入信號(hào)的斜率：過(guò)/欠驅(qū)動(dòng)較小時(shí)、延時(shí)變化率較大。即使使用增益控制，不同激光脈沖之間也有幅度波動(dòng)，因此時(shí)間鑒別必須對(duì)脈沖幅度不敏感，或者對(duì)脈沖幅度測(cè)量并使用校正表。 預(yù)鑒別恒定比值時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì)時(shí)間鑒別精度主要受幅度波動(dòng)及抖動(dòng)（噪聲）的影響。恒定比值時(shí)刻鑒別可以給出較高的定時(shí)性能，它的基本原理是將輸入信號(hào)分為三路：選擇第一路的衰減信號(hào)，和第二路的反向延時(shí)信號(hào)相加產(chǎn)生的過(guò)零點(diǎn)為時(shí)刻鑒別的定時(shí)點(diǎn)，第三路信號(hào)為前沿預(yù)鑒別，只有當(dāng)輸入信號(hào)的幅值大于前沿預(yù)鑒別值時(shí)，過(guò)零點(diǎn)定時(shí)才能輸出，根據(jù)反向信號(hào)延時(shí)量的不同，恒定比值定時(shí)又可分為兩種：當(dāng)延時(shí)量滿足時(shí)，其中P為第一路的信號(hào)衰減比，為定時(shí)點(diǎn)發(fā)生在衰減路信號(hào)的達(dá)到峰值的時(shí)刻，這時(shí)稱為真恒比定時(shí)，定時(shí)點(diǎn)在信號(hào)的吩＝以處似為輸入信號(hào)最大幅度）即處于信號(hào)幅度的恒定比例點(diǎn)，真恒比適合上升時(shí)間相同但幅度不同的輸入信號(hào)定時(shí)。(3)恒定比值時(shí)刻鑒別如圖41所示為恒定比值鑒別法的原理圖解，恒定比值F在此處取,即取脈沖上升沿中半高點(diǎn)到達(dá)的時(shí)刻為起止時(shí)刻，如果不考慮波形畸變和噪聲等其它因數(shù)的影響，可以判定由幅度變化引起的誤差。它的誤差主要受信號(hào)脈沖在極值附近斜率的影響，脈沖的寬窄也會(huì)直接影響檢測(cè)的精確度，因此，這種方法適用于檢測(cè)持續(xù)時(shí)間很短的尖鋒脈沖。包括三個(gè)誤差源：一是幾何漂移誤差（理想接收器同樣會(huì)產(chǎn)生），二是接收電路有限的帶寬、壓擺率和動(dòng)態(tài)范圍，三是比較器傳輸延遲時(shí)間。由于前沿時(shí)刻鑒別法方法采用固定的閾值，由于目標(biāo)回波幅度的變化和脈沖前后沿的影響，對(duì)應(yīng)通過(guò)閾53第4章 計(jì)算機(jī)顯示部分設(shè)計(jì)值點(diǎn)的時(shí)刻變化很大，即到達(dá)時(shí)間隨脈沖寬度而變化，從而導(dǎo)致脈沖激光測(cè)距誤差的產(chǎn)生。它用快速電壓比較器將輸入電壓和一個(gè)固定電平（鑒別閾值）相比較，當(dāng)輸入電平大于閾值時(shí)給出定時(shí)輸出。如圖所示：當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度大于閾值時(shí)，則判定為測(cè)量的起止時(shí)刻；若輸入信號(hào)的強(qiáng)度小于閾值時(shí)，系統(tǒng)則不做判定。目前時(shí)刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別、過(guò)零鑒別（又稱高通容阻鑒別）和恒定比值鑒別。主要由高速比較器及其附屬電路實(shí)現(xiàn)。因此需要專門的時(shí)刻鑒別電路對(duì)接收信號(hào)的時(shí)刻進(jìn)行判定。計(jì)時(shí)部分 本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是對(duì)激光測(cè)距的發(fā)射電路和激光脈沖接收電路的設(shè)計(jì)，對(duì)這兩部分內(nèi)容做了系統(tǒng)的介紹，同時(shí)根據(jù)相關(guān)電路的參數(shù)要求，對(duì)相關(guān)的元器件進(jìn)行選擇；并且重點(diǎn)研究了激光脈沖接收電路，比如APD驅(qū)動(dòng)電路，高壓發(fā)生電路以及相關(guān)的反饋和放大電路等。，集電極最大正向電流：I=25mA 圖36 放大電路類型：PNPQ3和Q4采用高頻三極管，典型工作參數(shù)： 類型：NPN放大倍數(shù)Hpe=90 圖34 高壓發(fā)生電路 圖35 反饋回路據(jù)體的放大電路的原理圖如圖36所示，此放大電路的關(guān)鍵器件包括APD，電壓放大部分的Q3，Q4，電流放大電壓轉(zhuǎn)換部分的Q1和Q2高頻三極管。 反饋信號(hào)輸入至圖34中555振蕩器的第5管腳，通過(guò)控制該管腳，可以使555振蕩器輸出方波的頻率和占空比發(fā)生變化，從而控制輸出電壓，使高壓發(fā)生電路工作穩(wěn)定。通過(guò)產(chǎn)生方波控制開(kāi)關(guān)三極管D42C1的導(dǎo)通、截止,電感的儲(chǔ)能作用、自感效應(yīng)，電容的儲(chǔ)能作用，從而在輸出端得到所需的高壓，具體如圖34所示。當(dāng)三極管截止時(shí)，由于電感的自感效應(yīng)，電感上的電流不能發(fā)生突變，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流的減小。這時(shí)，能量由電源注入，儲(chǔ)存在電感中。 圖33 APD驅(qū)動(dòng)電路 37 高壓發(fā)生電路控制開(kāi)關(guān)三極管D42C1的導(dǎo)通、截止。R1為限流電阻,保護(hù)APD，防止電流過(guò)大燒壞晶體管；C為濾波電容，靠近APD放置，濾除高壓引起的雜波。雪崩光電二極管APD在沒(méi)有光照射的時(shí)候，只有